PCB的敷铜问题

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出于让PCB焊接时尽可能不变形的目的,大部分PCB生产厂家会要求PCB设计者在PCB的空旷区域填充铜皮或者网格状的地线。

但是我们的工程师对这个“填充”不敢轻易使用,也许是因为在PCB调试中,曾经吃过“苦头”,也可能是专家们一直没有给出明确的结论。

究竟敷铜是“利大于弊”还是“弊大于利”,本文用实测的角度来说明这个问题。

下面的测量结果是利用EMSCAN电磁干扰扫描系统获得的,EMSCAN能使我们实时看清电磁场的分布,它具有1218个近场探头,采用电子切换技术,高速扫描PCB产生的电磁场。是世界上唯一采用阵列天线和电子扫描技术的电磁场近场扫描系统,也是唯一能获得被测物完整电磁场信息的系统。

先看一个实测的案例,在一块多层PCB上,工程师把PCB的周围敷上了一圈铜,如图1所示。在这个敷铜的处理上,工程师仅在铜皮的开始部分放置了几个过孔,把这个铜皮连接到了地层上,其他地方没有打过孔。

PCB不良接地的敷铜产生的电磁场

图1 PCB不良接地的敷铜产生的电磁场

在高频情况下,印刷电路板上的布线的分布电容会起作用,当长度大于噪声频率相应波长的1/20时,就会产生天线效应,噪声就会通过布线向外发射。

从上面这个实际测量的结果来看,PCB上存在一个22.894MHz的干扰源,而敷设的铜皮对这个信号很敏感,作为“接收天线”接收到了这个信号,同时,该铜皮又作为“发射天线”向外部发射很强的电磁干扰信号。

我们知道,频率与波长的关系为f= C/λ。
式中f为频率,单位为Hz,λ为波长,单位为m,C为光速,等于3×108米/秒
对于22.894MHz的信号,其波长λ为:3×108/22.894M=13米。λ/20为65cm。
本PCB的敷铜太长,超过了65cm,从而导致产生天线效应。

目 前,我们的PCB中,普遍采用了上升沿小于1ns的芯片。假设芯片的上升沿为1ns,其产生的电磁干扰的频率会高达fknee = 0.5/Tr =500MHz。对于500MHz的信号,其波长为60cm,λ/20=3cm。也就是说,PCB上3cm长的布线,就可能形成“天线”。

所以,在高频电路中,千万不要认为,把地线的某个地方接了地,这就是“地线”。一定要以小于λ/20的间距,在布线上打过孔,与多层板的地平面“良好接地”。

对于一般的数字电路,按1cm至2cm的间距,对元件面或者焊接面的“地填充”打过孔,实现与地平面的良好接地,才能保证“地填充”不会产生“弊”的影响。

由此,我们进行如下延伸:
Ø 多层板中间层的布线空旷区域,不要敷铜。因为你很难做到让这个敷铜“良好接地”
Ø 一块PCB,不管有多少种电源,建议采用电源分割技术,并且只使用一个电源层。因为电源与地一样,也是“参考平面”,电源与地的“良好接地”是通过大量的滤波电容实现的,没有滤波电容的地方,就没有“接地”。
Ø 设备内部的金属,例如金属散热器、金属加固条等,一定要实现“良好接地”。
Ø 三端稳压器的散热金属块,一定要良好接地。
Ø 晶振附近的接地隔离带,一定要良好接地。

结论:PCB上的敷铜,如果接地问题处理好了,肯定是“利大于弊”,它能减少信号线的回流面积,减小信号对外的电磁干扰。

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